De Ontdekking van de biosfeer
Wat heeft ons ecosysteem met het klimaat van doen?
De Zweedse scheikundige Lars Gunnar Sillén had zich in zijn onderzoek: “Regulation of O,, N, and CO, in the atmosphere; thoughts of a laboratory chemist” (1965), al het hoofd gebroken over de vraag hoe het mogelijk was dat de Aardse atmosfeer zozeer afweek van hetgeen op grond van de tweede hoofdwet van de thermodynamica verwacht kon worden. Immers volgens deze wet geldt dat de entropie van een geïsoleerd systeem dat niet in evenwicht is, in de loop van de tijd toeneemt, tot het maximum voor dat geïsoleerde systeem is bereikt. Die toestand met de maximale entropie is de evenwichtstoestand.
Voor de meeste planeten in ons zonnestelsel gaat deze natuurkundige wetmatigheid ook prima op. Maar niet voor onze Aarde. Voor een belangrijk deel is de verklaring voor de afwijkende chemische samenstelling van onze atmosfeer terug te voeren naar het doen en laten van de organismen die onze Aarde bewonen.
De vorig jaar overleden Britse onderzoeker James Lovelock, maakte hiervan het fundament van zijn Gaia-theorie.
Gaia revisited
Er is eigenlijk maar één theorie die een verklaring heeft voor de constantheid van ons klimaat gedurende de tijd dat onze Aarde bestaat. De theorie die Lovelock in 1979 aan het grote publiek presenteerde; Gaia. De oorzaak voor de recente opwarming moet naar mijn mening dan ook dáár worden gezocht.
Hittegolven op zee
Mischien wel de meest in het oog springende component van de klimaatverandering, maar wordt het wel veroorzaakt door een toename van CO2?
Zeewater en luchtdruk
Wat was er eerder, warm water of drukverschillen? Een helder antwoord op een principiële vraag.
Het grote uitsterven
Het kan allemaal nog veel erger. Het is tijd om de CO2 hypothese los te laten om echt iets te kunnen veranderen…
GAIA revisited
De samenstelling van onze atmosfeer is voor Lovelock een belangrijk fundamant voor zijn Gaia-hypothese.
Hij had zich hierbij laten inspireren door de Zweedse scheikundige Lars Gunnar Sillén die zich al in 1965 bezig was met de verklaring voor de -vanuit natuurkundig standpunt- vreemde samenstelling van de Aardse atmosfeer. Volgens Lovelock (1979) had Sullén al berekend dat, op basis van een thermodynamisch evenwicht, de oceanen en de atmosfeer als volgt samengesteld zouden moeten zijn:
Deze berekeningen voor de atmosfeer komen nauw overeen met de waarden die Lovelock zelf in 1979 hanteert, maar ook met die van de andere ‘terrestrische’ planeten, waar de tweede hoofdwet van de thermodynamica blijkbaar wel gewoon van toepassing blijkt te zijn:
Vooral het gedrag van stikstof was volgens Sullén merkwaardig. Immers, wanneer stikstof in thermodynamisch evenwicht met zijn omgeving zou zijn: “one may show that practically all N would have been present as NO3– in the ocean and not as N2(g).”
Maar daar waar Sullén nog een vraagteken plaatste bij zijn opvatting dat ‘bugs’ verantwoordelijk zouden kunnen zijn bij het vreemde gedrag van stikstof op Aarde, wordt dit een uitroepteken bij Lovelock. De grondgedachte van Lovelock is dat organismen er als collectief op de een of andere manier ook voor kunnen zorgen dat de conditie van de biosfeer optimaal blijft voor hun eigen overleving. Deze grondgedachte wordt voor het grote publiek uitgewerkt in “Gaia, de natuur als levend organisme” (1979). Volgens Lovelock was de chemische onbalans van de Aardse atmosfeer een van de belangrijkste kenmerken van Gaia.
Natuurlijk is al algemeen bekend dat zuurstof in de atmosfeer is ontstaan als gevolg van de ontwikkeling van het fotosynthese proces, wat de toen nieuwe blauwwier-soorten bleken te beheersen, voorafgaand aan de grote ijstijden van het Huronien. Maar volgens Lovelock bleek dus ook te gelden voor de andere hoofdcomponent van de atmosfeer:
“Veruit het overvloedigste bestanddeel van onze atmosfeer is stikstofgas, dat 79 procent uitmaakt van de lucht die wij inademen. (…) Het heeft zich in de atmosfeer opgehoopt omdat het daaraan door denitrificerende bacterieën en andere processen van levende cellen is toegevoerd.”
Dan komt echter de vraag waarom de eencelligen zo bekommerd zijn om een energie-vragend proces in te zetten voor de productie van een gas wat eigenlijk geen enkel nuttig effect lijkt te hebben. En dat is weer in strijd met de Gaia-leer die overtuigend aangeeft dat vrijwel niets wat door ‘Gaia’ wordt geproduceerd, zonder nuttig effect voor het voortbestaan van Gaia is. Lovelock gaat hier kort op in:
“Welke voordelen zijn er voor de biosfeer aan verbonden om de atmosfeer opgeblazen te houden met stikstofgas, geheel in strijd met de verwachtingen van een stabiel chemisch evenwicht?
Er zijn verschillende mogelijkheden.
– In de eerste plaats kan het zijn dat een stabiel klimaat de huidige atmosferische dichtheid vereist en stikstofgas is een geschikt gas om een bepaald drukniveau mee op te bouwen.
– Ten tweede is een langzaam reagerend gas als stikstof waarschijnlijk het beste verdunningsmiddel voor zuurstof in de lucht, een atmosfeer die geheel uit zuurstof bestaat zou rampzalig zijn.
– Ten derde is het zo dat wanneer alle stikstof zich in de zee bevond in de vorm van nitraationen, dit het toch al moeilijke probleem om het zoutgehalte laag genoeg te houden, nog verder zou compliceren (…)
Elke van de genoemde redenen lijkt op zich al voldoende reden voor de biologische processen die ervoor zorgen dat stikstof uit de zee en vanaf het land wordt teruggevoerd aan de lucht.”
Het zijn profetische woorden vanuit de op deze website uiteengezette theorie. Het zal duidelijk zijn dat het eerste argument volledig aansluit bij de zwaartekracht-theorie, waardoor organismen/ ecosystemen inderdaad een heel effectief klimaat-reguleringsmechanisme ingebouwd zouden hebben gekregen. Teleologische sturing van het klimaat.
Naar mijn mening is dit eigenlijk de enig denkbare verklaring waardoor het klimaat van de Aarde ongeveer 3,5 miljard jaar, ondanks de ‘faint young sun-paradox’ (zie ook de web-pagina ‘klimaatalarm’) leefbaar is gebleven voor alle hierop aanwezige organismen.
Het is in dit verband wellicht toch goed om nog even stil te blijven staan bij deze theorie.
Faint young sun
4,533 miljard jaar geleden botste de Aarde op dat wat we nu de protoplaneet ‘Theia’ noemen. Het resultaat was een aarde die opnieuw moest beginnen met aardevorming, maar nu begeleidt door een satelliet; de maan.
Geologisch onderzoek laat zien dat op de Aarde land en water reeds zo een 4,4 miljard jaar geleden aanwezig moeten zijn geweest. De aanwezigheid van water wijst ook op het bestaan van een atmosfeer die moet hebben belet dat al het nieuwe water tegelijk zou gaan verdampen.
Verondersteld wordt dat door grootschalige vulkanische activiteit gassen worden uitgestoten, waarvan de zwaarste ervan worden vastgehouden door het zwaartekrachtveld van de planeet. Zo ontstaat een ‘stabiele’ atmosfeer: waarschijnlijk een mengsel van voornamelijk koolstofdioxide [CO2], methaan [CH4], stikstof [N2] en een variabele hoeveelheid waterdamp [H2O] en ammoniak [NH3]. De atmosferische druk moet toen een riante 11.000 hPa geweest zijn. Ter vergelijking: wij leven in deze tijd onder een druk van gemiddeld 1.013 hPa. De oppervlaktetemperatuur moet ongeveer 85°C hebben bedragen en dat met een Zon die weinig warmte gaf.
Vanuit in dit schrijven uitgewerkte gravitatie-theorie lijkt het een voor de hand liggende vraag: als dit de consequentie is van een zo zware atmosfeer op de Aarde dan is dit toch een simpele oplossing voor de faint young sun paradox?
Zelfs wanneer de aardatmosfeer ‘maar’ twee maal zo zwaar zou zijn als tegenwoordig, betekent dit (wanneer de hoogte/druk verhouding van Venus hierbij ongeveer kan worden aangehouden), ook een 4 tot 5 kilometer dikkere troposfeer. Volgens de gravitatietheorie geeft dit dus een extra opwarming (boven de al bestaande 33 graden van het huidige “broeikaseffect” (om deze term toch maar even te gebruiken)) die 24-30 graden Celsius zou bedragen!
Onnodig te zeggen dat dit ruim voldoende compensatie biedt voor de lagere hoeveelheid ingestraalde zonnestraling (198 W/m2 tegenover de 238 W/m2 van dit moment).
Vast staat dat ondanks de ‘faint young sun’, er gedurende het gehele tijdvak van het Archaïcum geen bewijzen zijn gevonden van een aanwezige ijstijd. Dit overigens met uitzondering van de grensperiode naar het Proterozoïcum, de Huronische ijstijd.
Wikipedia meldt over deze periode het volgende:
“Vóór de Huronische ijstijd waren de meeste organismen anaëroob, maar rond deze tijd ontwikkelden de cyanobacteriën het fotosynthese-proces. Deze bacteriën konden zich exponentieel voortplanten dankzij hun nieuwe ecologische niche, waarbij ze gebruik maakten van de overvloedige energie van het zonlicht.
Hun fotosynthese produceerde zuurstof als afvalproduct dat in de lucht werd uitgestoten. Aanvankelijk werd de meeste van deze zuurstof geabsorbeerd door de oxidatie van ijzer aan het oppervlak en de afbraak van levensvormen. Naarmate de populatie van de cyanobacteriën echter bleef groeien, raakten deze zuurstofputten verzadigd.
Omdat zuurstof de meestal methaanatmosfeer “vervuilde”, vond een massa-extinctie plaats van de meeste levensvormen, die anaëroob waren en voor wie zuurstof giftig was. Methaan veranderde van dominant in de atmosfeer in een sporengas, omdat het werd geoxideerd tot kooldioxide en water. Er ontstond een andere atmosfeer die dunner was, met minder krachtige broeikasgassen. De temperatuur op aarde daalde, deels omdat de helderheid van de zon op dat moment lager was, waardoor de aarde kwetsbaarder was voor een afname van broeikasgassen.
Aangenomen wordt dat de Huronische ijstijd de eerste keer was dat de aarde volledig bedekt was met ijs, en de fotosynthese praktisch stopte. “
De atmosfeer van de Aarde veranderde door toedoen van de blauwalgen, wat onder meer een ernstige reductie van de dikte van de atmosfeer met zich meebracht.
Sanjoy Som wist in een artikel uit 2012 aan de hand van fossiele regendruppel-inslagen in Zuid- Afrika aan te tonen dat de luchtdruk op Aarde, 2,7 miljard jaar geleden, in ieder geval niet meer kon zijn dan de helft van de huidige waarde. De ‘dikte van de atmosfeer’ op Aarde nam af, evenals de temperatuur…
Deze periode was immers ook het begin van de serie van ijstijden die al in de laatste periode van het Archaïcum werd ingezet. Een van de oudste getuigen hiervan vinden we terug in de 2,8 miljard jaar oude sedimenten van het Zuid Afrikaanse Witwatersrand. Maar van de vroege ijstijden rond 2,3 miljard jaar geleden, de ijstijden van het Huronien, vinden we op meerdere continenten de kenmerken terug.
De temperaturen op Aarde fluctueerden in die periode mogelijk meer dan ooit. Dit zou dan, volgens de gravitatie-theorie, dan ook samen moeten hangen met grote veranderingen in de dikte van de atmosfeer.
Hierin lijkt pas enige verandering te komen wanneer zich de eerste meercellige organismen ontwikkelen, ongeveer 600 miljoen jaar geleden. De atmosfeer moet er op dat moment al veel ‘moderner’ hebben uitgezien, omdat immers bekend is dat multi-cellulaire dieren niet kunnen bestaan bij zuurstofgehalten lager dan 10 procent van het huidige gehalte zuurstof. Voldoende zuurstof ook om een beschermende ozonlaag te kunnen vormen.
Op dat moment was de Aarde net bekomen van haar snowball-gedaante, die vanaf 800 miljoen jaar geleden mogelijk ongeveer 12 miljoen jaar had aangehouden.
Maar met dan al een flink opgewarmde zonnekracht zou, met een op de huidige situatie vergelijkbare atmosfeer, de gemiddelde temperatuur op Aarde al een gemiddelde temperatuur van negen graden Celsius hebben laten bedragen, opklimmend tot 14 graden Celsius op dit moment.
Bijzonder blijft natuurlijk wel dat de Aarde lijkt te streven naar een bepaalde temperatuur-marge waarbinnen leven mogelijk is. En het heeft er alle schijn van dat het leven, als een groot eco-systeem hiervoor verantwoordelijk is. Dit onder meer door bulk-gassen zoals stikstof actief te produceren, maar ook door de afbraak van weer andere gassen die op enig moment dominant geweest moeten zijn. Bijvoorbeeld kooldioxide is in potentie natuurlijk voor de aard en omvang van de atmosfeer een zeer belangrijk gas. “In den beginne”, toen de Aarde na de botsing met de maan opnieuw afkoelde, zou volgens Feulner een oceaan zijn ontstaan met een temperatuur van 500 K, die mogelijk werd door een kooldioxide deken van ongeveer 100 bar! Het gegeven dat het gehalte sedimentair koolstof (plantenresten) met 15*10^18 kg, na de anorganische binding aan Kalk en Dolomiet met afstand de belangrijkste koolstof-opslag ter wereld is (20% van de totale hoeveelheid = 20 bar!), betekent wel degelijk dat er een belangrijke temperatuur-invloed door de biosfeer wordt uitgeoefend; het is alleen niet op de manier die Lovelock (en Sagan) hadden bedacht…
Dit onderdeel van de Gaia-theorie sluit natuurlijk uitstekend aan bij de zwaartekracht-theorie, waardoor organismen dus blijkbaar inderdaad een heel effectief klimaat-reguleringsmechanisme ingebouwd hebben gekregen. Ook biedt het naar mijn mening de enig mogelijke oplossing, voor de ‘faint young sun-paradox’.
Toeval? Wat mij betreft nauwelijks voorstelbaar, en waarschijnlijk ook niet voor Lovelock zelf als hij schrijft:
“Het leven op deze planeet is een bijzonder taaie, robuuste en plooibare eenheid, waarvan wijzelf slechts een klein onderdeel vormen. Het meest wezenlijke onderdeel is waarschijnlijk datgene wat op en in de bodem van de continentale platten woont. Grote planten en dieren zijn betrekkelijk onbelangrijk. Deze zijn eerder te vergelijken met de elegante vertegenwoordigers en aantrekkelijke modellen die een firma gebruikt om haar producten aan te prijzen, wellicht begeerlijk, maar niet onontbeerlijk. Het zijn de taaie en betrouwbare arbeiders, het microbiologische leven van de bodem en zeebedding, die de zaken draaiende houden.”
Maar kritiek op de Gaia-theorie van Lovelock die dit soort van studies en interpretaties mogelijk had gemaakt, kon natuurlijk niet uitblijven.
Om voor het examen wetenschapper te slagen heeft Lovelock een aantal behoorlijke ‘misslagen’ geproduceerd. Nadat het neo-Darwinisme als ‘officiële leer’ is geaccepteerd, is het eigenlijk verboden om doelgerichtheid (teleologe) binnen een wetenschappelijke leer te poneren. De invloedrijke theoreticus Ernst Mayr stelde dan ook: “Die evolution gibt zwar Zweckmässigkeit, aber ist nie zielgerichtet”. Dat wordt hier natuurlijk wel ‘vergeten’.
Lovelock poogt dan ook een en ander nog te herstellen door hoofdstuk 4 van zijn ‘Gaia’ uit 1979 te wijden aan de leer van de cybernetica. Echter, zoals Soontiëns (1993) in zijn “Natuurfilosofie en milieu-ethiek” overtuigend aantoont, is de cybernetica met handen en voeten verknoopt aan de teleologie: “De terugkoppeling-regulatie dient de handhaving van een of andere norm, of de aanwezigheid van iets wat als ‘doel’ wordt herkend. Pas binnen het kader van een doelstelling kan een terugkoppelingsmechanisme zijn corrigerende activiteit uitvoeren. Doel en terugkoppeling worden door dit regulatiemechanisme voorondersteld. Terugkoppeling veronderstelt teleologie… Omdat we in staat zijn om systemen te maken, die ons eigen doelgerichte handelen nabootsen, meent hij de doelgerichtheid in zijn algemeen, op mechanistische wijze te kunnen verklaren.”
Het taalgebruik in de bovenstaande passage ‘verraadt’ Lovelock dan ook, en de wetenschappelijke hoon van de zwaargewichten belast met de bewaking van het mechanistische -neo-Darwinistische- wereldbeeld, was zijn deel. Kritiek van mannen zoals John Maynard Smith (die de theorie ‘een kwaadaardige religie’ noemde) en Richard Dawkins ( die over de theorie simpelweg stelde dat zij in tegenspraak was met Darwins evolutietheorie) of Paul Ehrlich (die Lovelock zelf als ‘radicaal en gevaarlijk’ omschreef) maakte korte metten met ‘Gaia’ als wetenschappelijke theorie.
Het zijn natuurlijk wel allemaal ideologische argumenten die tegen de theorie van Lovelock in stelling werden gebracht. Na Gaia kan eigenlijk niemand meer om de stelling heen dat de biosfeer heeft gezorgd voor de omstandigheden die leven op Aarde, in al haar aspecten, mogelijk heeft gemaakt. In het onderstaande wil ik de stellingen van Lovelock graag nader uitwerken om het klimaat en vooral klimaatveranderingen te kunnen begrijpen. Om te beginnen bij de “taaie en betrouwbare arbeiders, het microbiologische leven van de bodem en zeebedding, die de zaken draaiende houden.”
Hittegolven op zee
Maritieme hittegolven (MHW) zijn bij uitstek het vlaggenschip van de alarmistische klimaatwetenschappers. Hier is ook een goede reden voor. Als er één klimaateffect onmiskenbaar door de ‘opwarmende Aarde’ wordt beïnvloed, dan zijn het wel de MHW’s. Het IPCC (AR6) vat de ontwikkelingen rondom de hittegolven op de oceaan als volgt samen:
“Marine heatwaves (MHW) are periods of extreme high sea temperature relative to the long-term mean seasonal cycle. (…)
Unlike synoptic atmospheric heatwaves (Section 11.3), MHWs can extend for millions of square kilometres, persist for weeks to months, and occur at subsurface (…)
The SROCC [Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, IPCC 2016] reported with high confidence that MHWs (defined as days exceeding the 99th 26 percentile in SST from 1982 to 2016) have very likely doubled in frequency between 1982 and 2016. Additional observation based evidence and acquisition of longer observation time-series since the SROCC have confirmed and expanded on this assessment: since the 1980s MHWs have also become more intense and longer.
The SROCC assessed that 84-90% of all MHWs that occurred between 2006 and 2015 are very likely caused by anthropogenic warming. There is new evidence since SROCC that the frequency of the most impactful marine heatwaves over the last few decades has increased more than 20-fold because of anthropogenic global warming (Laufkötter et al., 2020).
In summary, there is high confidence that MHWs have increased in frequency over the 20th century, with an approximate doubling from 1982-2016, and medium confidence that they have become more intense and longer since the 1980s.”
Dat is nog niet eens alle narigheid die over de MHW’s te vertellen valt. In het artikel “Increasing trends in regional heatwaves” (Perkins-Kirkpatric en Lewis (2020)) valt vrij duidelijk te herkennen dat juist de gebieden waar de zee-invloed groot is (Middelandse zeegebied, Noord Australië) een duidelijke opwaartse trend te herkennen is in het aantal hittegolven.
In deze studie wordt verder nog opgemerkt:
“Note that for regions MED [Middellandse zeegebied] , WNA [West Noord Amerika] , East Asia (EAS), North Asia (NAS), and Northern Europe (NEU), as well as the global average, frequency and duration trends continue to accelerate up to trends commencing in the 1990s.”
Algen en de MHW’s
De oceanen hebben het zwaar te verduren. In januari 2018 publiceerde Science het artikel “Declining oxygen in the global ocean and coastal waters” (Breitburg et al.) Een korte samenvatting van dit artikel: “Het aantal dode zones in de oceanen – plekken waar er geen of nauwelijks nog zuurstof in het water zit -, blijft snel stijgen en is verviervoudigd in de laatste 50 jaar. In kustwateren en riviermondingen is de stijging nog veel hoger: daar is het aantal dode zones vertienvoudigd sinds de jaren vijftig.
“Zuurstof is fundamenteel voor het leven in de oceanen”, zei hoofdauteur Denise Breitburg, mariene bioloog aan het Smithsonian Environmental Research Center aan het persbureau IPS. “De teloorgang van zuurstof in de oceanen is een van de meest ernstige effecten van de menselijke activiteit op het ecosysteem van de aarde.(…)
In kustwateren en riviermondingen is vooral vervuiling de belangrijkste motor. Een teveel aan voedingsstoffen, vaak afkomstig van bemesting op het land, leidt tot de bloei van algen, die zuurstof aan het water onttrekken als ze afsterven.”
De extra nutriënten leiden ook tot een ongekende algengroei en -bloei en met grote nadelige gevolgen voor de waterkwaliteit en het waterleven. Het afsterven van de algen na de ‘bloei’ zorgt voor een luilekkerland voor de organische stoffen afbrekende schimmels en bacteriën die hiervoor alle beschikbare zuurstof nodig hebben. De gevolgen zijn dan ronduit desastreus.
Hier ontstaan dan de zgn ‘dead zones’ in kustzeeën, vooral die van (zoals op basis van de moderne landbouwontwikkelingen ook kon worden verwacht) Noord-Amerika, Europa en Oost-Azië. Een telling uit 2008 leverde al 405 ‘dead zones’ op. In de onderstaande figuur kan dan ook een indruk worden gevormd van de omvang van het probleem. Overigens staat de in 2018 gevonden grootste ‘dode zone’ van de wereld hier nog niet op. Een Brits onderzoek van wees uit dat ook de Golf van Oman (zich uitstrekkend van Oman tot India, 164.983 vierkante kilometer) waarschijnlijk één grote dode zone geworden is.
Maar het is toch opvallend te noemen. Wanneer we ‘Noord Azie’ uit de bovengenoemde opsomming uit het artikel van Perkins-Kirkpatric en Lewis, maar ook het ‘ENSO gebied’ op de bovenstaande kaart even wegdenken, dan zien we toch een behoorlijke overlap tussen MHW’s en ‘dode zones’.
Hoe zit dat? Hoe kan algengroei een effect hebben op de temperatuur en waarom wordt het blijkbaar steeds erger?
Behalve de Planetary Boudary Layer, de atmosferische menglaag, is er ook nog zoiets als een limnological mixed layer, een oceanische menglaag. Wikipedia omschrijft deze als:
“een laag waarin actieve turbulentie een de zee/oceaanoppervlakte tot een bepaalde diepte heeft gehomogeniseerd. De gemengde oppervlaktelaag is een laag waar deze turbulentie wordt gegenereerd door wind, oppervlaktewarmtefluxen of processen zoals verdamping of zeeijsvorming die resulteren in een toename [of afname] van het zoutgehalte.”
Net zoals de atmosfeer is het water in diepe zeeën of oceanen opgebouwd uit lagen die maar moeilijk mengen. Het meest bekende fenomeen wat hiermee samen hangt is het zgn. “dode water” waarin schepen nauwelijks vooruit komen. Veel energie die voortkomt uit de schroef van het schip leidt slechts tot golven en turbulentie tussen de beide lagen.
Dit natuurlijke verschijnsel wordt ook gebruikt door algen.
Wanneer gedurende het voorjaar de hoeveelheid licht voldoende toegenomen is, zal het fytoplankton, wanneer er voldoende voedingsmiddelen, en niet al te veel vijanden aanwezig zijn, snel gaan groeien. Een verschijnsel dat bekend staat als de voorjaarsbloei.
Bij min of meer rustige meteorologische condities gedurende het voorjaar en de zomer zal vaak een dichtheidsstratificatie ontstaan. De bovenste waterlaag zal relatief warm worden door het ingestraalde zonlicht waardoor de dichtheid van het water afneemt. Door de ongelijke dichtheid onder en boven het scheidingsvlak van warm en koud water zal verticale turbulente menging sterk onderdrukt worden. Met als gevolg een zeer ondiepe “mixed layer”, die snel kan worden opgewarmd door zonnestraling. Wanneer dan ook nog voldoende voedingsstoffen aanwezig zijn is dit een ideale omgeving voor de ontwikkeling van algen.
Het zal echter ook duidelijk zijn dat de warmte, die normaal gesproken verspreid zal worden door de oceanische mixing layer, niet meer zal worden opgenomen door het zeewater, met hogere temperaturen als het onvermijdelijke gevolg. Dat dit niet enkel een leuk theoretisch verhaal is, wordt duidelijk uit een artikel van de hand van O. Wurl et al. “Warming and Inhibition of Salinization at the Ocean’s Surface by Cyanobacteria”, wat verscheen in de Geophysical Research Letters van oktober 2018.
In dit artikel wordt uitgewerkt dat wanneer de bloei blauwwieren (Cyanobacteria) zich over grote vlaktes uitstrekt, deze bloei zich als een bio-film laag over de oppervlakte van de oceaan uitstrekt. Maar deze biofilm had vreemde eigenschappen volgens Wurl en zijn mede-auteurs:
“Here we show, using high-resolution in situ measurements, that slicks formed by cyanobacteria both warm the upper <1 mm of the ocean’s surface compared to the near-surface mixed layer and inhibit salinization of the ocean’s surface. Considering that the ocean absorbs 90% of the “anthropogenic” heat trapped by greenhouse gases (Levitus et al., 2012), these observations of biologically controlled warming and inhibition of salinization of the surface are essential in understanding heat exchange, the development of algorithms to reliably interpret SST and sea surface salinity (SSS) from satellites, and ultimately in the prediction of regional warming (…)
In the presence of the blooms, large anomalies of skin temperature and salinity of + 0.95°C and – 0.49 practical salinity unit (PSU) were found, but a substantially cooler (- 0.22°C) and saltier skin layer (+ 0.19 PSU) was found in the absence of surface blooms. The results suggest that biologically controlled warming and inhibition of salinization of the ocean’s surface occur. Less saline skin layers form during precipitation, but our observations also show that surface blooms of Trichodesmium sp. inhibit evaporation decreasing the salinity at the ocean’s surface. This study has important implications in the assessment of precipitation over the ocean using remotely sensed salinity, but also for a better understanding of heat exchange and the hydrologic cycle on a regional scale.”
Dit gaat dus erg ver. Een biologische controle van zowel temperatuur als zoutgraad van het zeeoppervlak, waardoor de hoeveelheid verdamping (en neerslag) wordt beïnvloed! Zelfs de mechanismen die Lovelock zelf heeft voorgesteld als invloeden op het klimaat gingen niet zover…
Kern van het onderzoek is samengevat in de onderstaande grafiek (figure 2.)
Maar wanneer dit fenomeen zich niet alleen in het laboratorium voordoet, dan zouden de effecten hiervan toch zichtbaar moeten zijn, zeker in de buurt van de zgn. ‘dead zones’? In het onderstaande wil ik uitwerken dat dit zomaar het geval kan zijn, bijvoorbeeld in ons eigen land en wat prominenter nog in Duitsland. De relatie tussen algenbloei en klimaatontwikkelingen zijn natuurlijk op veel meer plaatsen te vinden, maar het is niet eenvoudig om aan relevante statistische data te komen, die voor ons land en ons buurland in ruime mate beschikbaar zijn.
De Oostzee-casus
Al vanaf 1988 vindt er een ecologische catastrofe plaats in de Oostzee (Baltic sea). Dat heeft alles te maken met de ligging en specifieke kenmerken van de Oostzee. Allereerst heeft dit te maken met de ontstaansgeschiedenis van de Oostzee.
De Oostzee ontstond in stappen nadat de Scandinavische ijskap zich aan het eind van het Weichselien terugtrok, eerst in de vorm van een zoetwatermeer, het Baltische IJsmeer. Door het stijgen van het globale zeeniveau, kwamen de zeestraten in Denemarken, de Grote Belt en de Sont onder water te staan. Hierdoor ontstond geleidelijk aan de Littorinazee; de directe voorloper van de huidige Oostzee. De zee bestaat ook pas sinds het 6e millennium v.Chr.
De gemiddelde diepte van de Oostzee ligt tussen de 70 en 100 meter, en het diepste punt op 459 meter onder de zeespiegel. De waterinhoud is zo’n 22.000 km³.
De Oostzee is brakker dan de Noordzee ten gevolge van de grote aanvoer van rivierwater en de geringe verdamping. Ongeveer 250 rivieren monden uit in de Oostzee en deze brengen zo’n 470 km³ zoet water in. Per jaar stroomt zo’n 1600 km³ water uit de Oostzee via de straten tussen Denemarken en Zweden naar de Atlantische Oceaan. Een tegenstroom van zouter en zwaarder water brengt ongeveer driekwart hiervan terug, anders had de Oostzee allang zoet water gehad.
Hiermee wijken de omstandigheden in de Oostzee behoorlijk af van de klimatologisch op vergelijkbaar niveau liggende Noordzee. In de Noordzee komt het water uit de Atlantische Oceaan, vanuit het noorden en het zuiden. Verder komt er water uit de rivieren. Uitwisseling met water uit de Oostzee is er (relatief gezien) nauwelijks. Vanuit het zuiden stroomt het via Het Kanaal de Noordzee in en vanuit het noorden komt Atlantisch oceaanwater de Noordzee binnen langs de Schotse kust. Het water stroomt de zee weer uit langs de Noorse kust. Deze stromingen worden voornamelijk bepaald door het getij. De stromingen in de Waddenzee zijn op hun beurt weer een gevolg van die in de Noordzee. Dit heeft tot gevolg dat in ongeveer één tot twee jaar is het water in de Noordzee geheel vervangen door vers water.
Dit geluk is niet weggelegd voor het water van de Oostzee, die (evenals de Noordzee) al jaren te kampen heeft met een forse overbemesting van het omliggende land en haar met haar circa 85 miljoen inwoners. Het gebrek aan stroming en mogelijk minder zoute water, heeft ook tot gevolg dat blauwwieren hier een veilig domicilie hebben gevonden, wat inderdaad wel zorgt voor spectaculaire satelliet foto’s.
Behalve dat heeft deze Blauwalgen-plaag, zoals voorspeld in de studie van Wurl et al, die hierboven al kort is behandeld, ook een duidelijk klimaat-effect. Het Finse milieu-instituut heeft hierover het volgende te melden:
“Since 1990, the Baltic Sea has on average warmed by almost 2 °C, Finnish sea areas even more than that. Nutrient pollution has continued to visibly decrease on this millennium but the surface area of anoxic seabed is at an all-time high.
The highest recorded temperature on open Baltic (27°C) was measured exactly a year ago on July 25, 2018. In the last 100 years, the Baltic Sea has warmed 0.3°C per decade, however after 1990 significantly faster at 0.59°C per decade. The amount of blue-green algae has statistically significantly increased in open sea areas in the Gulf of Finland, Sea of Åland and the Sea of Bothnia in the last approximately 40 years.”
De NAO
De situatie in de Oostzee heeft er, conform het genoemde onderzoek van Wurl et al., toe geleid dat de Duitse Oostkust-provincies (“Bundesländer”) Mecklenburg-Vorpommern en Schleswig-Holstein zich jarenlang hebben kunnen profileren als de meest zonnige gebieden van Duitsland.
Dat was voor Meckelenburg-Vorpommern helemaal waar en voor Schleswig-Holstein bijna, maar dit Bundesland moest behalve Meckelenbug-Vorpommern ook nog de twee meest zuidelijke provincies van Duitsland (Bayern en Baden-Wurtenberg) voor laten gaan, in de periode van 1961-2000.
Deze situatie veranderde echter snel na 1990. Anno 2019 zijn de beide kust-Bundesländer, die anders dan het overige Duitse grondgebied, niet vooral hun weersverwachting moeten afstemmen op de Atlantische Oceaan/ Noordzee, nog maar grauwe middenmoters in het Duitse zonneschijn klassement. Iets wat is na te lezen op de site https://www.dwd.de/DE/leistungen/zeitreihen/zeitreihen.html.
En eigenlijk kan hier maar één logische conclusie uit worden getrokken. Zou het zo kunnen zijn dat op de Noordzee een vergelijkbaar effect optreedt als dat wat de blauwalgen van de Oostzee veroorzaken in Schleswig-Holstein en Meckelenburg-Vorpommern?
En dat betekent natuurlijk een speurtocht naar de recente ontwikkelingen op de Noordzee.
De NOA en de Nederlandse winters
We mogen ons gelukkig prijzen met het bestaan van een serieuze index van de NAO, die is gebaseerd op het verschil in de genormaliseerde luchtdrukverschillen (SLP) tussen Lissabbon en Stykkisholmur/Reykjavik, op IJsland sinds 1864. (zie ook link)
Maar in hoeverre heeft dit dan iets te maken met onze winters? U mag zelf oordelen, de onderliggende NOA-index data zijn te vinden op: https://www.metoffice.gov.uk/research/climate/seasonal-to-decadal/gpc-outlooks/ens-mean/nao-description
En dit afgezet tegen de Nederlandse winters (december t/m februari):
Een regressie analyse in Excel geeft een positieve correlatie van 0,53 met een p-waarde van maar liefst: 1,62*10-6.
Gewoonlijk hanteert men p=0,05 als grens van statistische significantie. Indien p≤0,05, dan is de kans dat het gevonden resultaat aan het toeval is te wijten (en we de nulhypothese ten onrechte verwerpen) kleiner of gelijk aan 5%, dit noemt men ‘statistisch significant’.
Het gaat hier dus in ieder geval om een ‘statistisch relevant’ verband.
Zeewater en luchtdruk
Wat het klimaat in Europa vrij uniek maakt, is dat de weersomstandigheden voor een belangrijk deel wordt bepaald door de ligging en sterkte van de NoordAtlantische Oscillatie (NAO). Wikipedia vat dit als volgt samen:
“De Noord-Atlantische Oscillatie (NAO) is een meteorologisch fenomeen boven de noordelijke Atlantische Oceaan. Het betreft het wisselende luchtdrukverschil (op zeeniveau) tussen een lagedrukgebied met het centrum in de buurt van IJsland en een hogedrukgebied met het centrum in de buurt van de Azoren (het Azorenhoog). Het verschil in luchtdruk tussen deze twee drukgebieden beïnvloedt in een belangrijke mate de windkracht en -richting vanaf de oceaan richting Europa. De NAO heeft daarmee een bepalende invloed op het weer in West-Europa, waarbij de effecten het grootst zijn in de winter.”
Wat weten we eigenlijk van de oorzaken van het bestaan van de NAO? In het artikel “The Relation between the North Atlantic Oscillation and SSTs in the North Atlantic Basin”(Wang et al. 2004) wordt hierover het volgende opgemerkt:
“De NAO is sterk gecorreleerd met grootschalige veranderingen in zee-oppervlaktetemperaturen (SST’s) in de Noord-Atlantische regio (Bjerknes 1964). De rol die lucht-zee-interacties spelen in de dynamiek van de NAO wordt echter niet volledig begrepen.
Algemeen wordt aangenomen dat atmosferische forceringen interacties over de Noord-Atlantische Oceaan bekken domineren en SST-anomalieën genereert door turbulente warmtefluxen of afwijkende windbelasting (Frankignoul 1985; Kaai 1992).
Aan de andere kant suggereren sommigen dat de oceaan zelf deelneemt aan de dynamiek via de invloed van SST afwijkingen. Omdat de goed gemengde oceaanbovenlaag een grote warmtecapaciteit heeft, zou een oceanisch thermisch signaal enkele maanden kunnen aanhouden, wat zorgt voor een aanhoudende thermische forcering van de bovenliggende atmosfeer (Frankignoul 1985; Kushnir et al. 2002).”
Om hierover duidelijkheid te krijgen werden door Wang en zijn mede-auteurs zgn. Granger causaliteit-tests uitgevoerd naar de NAO en de SST van het Atlantische water.
Granger-causaliteitstests kunnen worden uitgevoerd om in een gekoppeld systeem, met twee op elkaar inwerkende velden, te bepalen of eerdere waarden van één veld (X) statistisch helpen om de huidige waarden van het andere veld (Y) beter voorspellen dan alleen het gebruik van waarden van Y uit het verleden.
Bevatten waarden uit het verleden van X informatie over de huidige waarden van Y , dan wordt variabiliteit in het X-veld (vereenvoudigd) de oorzaak van variabiliteit in het Y-veld genoemd. Op dezelfde manier kunnen we testen of eerdere waarden van Y de oorzaak voor de variabiliteit in de huidige waarden van X zijn.
In het artikel wordt Granger-causaliteit gebruikt om de relatie tussen de NAO en SST’s te onderzoeken: “De auteurs hebben op deze manier gevonden dat op seizoensgebonden tijdschalen de invloed van de voorgaande NAO-anomalieën op het winter SST-veld nogal beperkt is. Omgekeerd hebben voorgaande SST-anomalieën een statistisch significant oorzakelijk effect op de NAO in de winter.
Het causale verband tussen voorgaande SST’s en de wintertijd NAO is beperkt tot de uitbreiding van de Golfstroom; in tegenstelling tot het canonieke driepolige SST-patroon dat doorgaans wordt geassocieerd met de NAO, vinden de auteurs niet dat SST-anomalieën in Groenland of subtropische regio’s een significant causaal effect op de NAO. Deze resultaten suggereren dat de Golfstroom SST’s een belangrijke invloed hebben op het initiëren van verstoringen van de atmosferische circulatie in de winter in de Noord-Atlantische Oceaan.”
Dat is duidelijke taal. De SST’s van de Golfstroom bepalen dus de grootte van de NAO. maar is er dan in de Golfstroom iets merkwaardigs aan de hand, wat de almaar oplopende waarden van de NAO-index kan helpen te verklaren?
Volgens het artikel van Wu et al. “SST Warming in Recent Decades in the Gulf Stream Extension Region and Its Impact on Atmospheric Rivers” wel. In dit artikel wordt de recente opwarming van de Golfstroom nader onderzocht:
“In deze studie is de variatie van SST in de Noord-Atlantische Oceaan in de winters sinds 1981 onderzocht met behulp van satelliet- en heranalysegegevenssets, en wordt een 23-jarige (1997 tot 2019) opwarmingstrend van SST in het Golfstroom-extensiegebied gedetecteerd. De toename van SST is voornamelijk verspreid langs het SST-front, met meer dan 2 ◦C opwarming en ook wordt een verschuiving noordwaarts van de SST-gradiënt van 1997 naar 2019 gevonden.”
Figure 2. (a) Time series of SST (solid line) averaged in the region (35◦ N–45◦ N, 72◦ W–56◦ W) from 1981 to 2019 (◦C °C), with linear trend lines from a regression (dashed line). Red is for NOAA OISST and black is for ERA5-SST. The values of the trend (± one standard error) are annotated. The linear trend of 1997‒2019 arise significant at the 95% confidence level (Trend 2 and Trend 4). Trends before 1997 (Trend 1 and Trend 3) did not pass the significance test.
De Golfstroom
Het zal duidelijk zijn; de golfstroom, of liever de veranderingen in de golfstroom hebben een belangrijke rol gespeeld bij de veranderde NAO, die een belangrijke rol speelt voor het weer in Europa. Maar wat veranderde er dan? Voor mij is de meest voor de hand liggende oorzaak te vinden bij de recente veranderingen van het verspreidingsgebied van de sargassum alg, een bruinwier.
Sargassum is wereldwijd wijdverspreid in de tropische en warmere zeeën. De meeste soorten nestelen zich stevig voor de kust (benthisch) (af en toe kunnen gescheurde takken in zee drijven). Langs de kust vormen ze Sargassum-bossen (kelpbos), die een bijzondere habitat bieden voor kleine krabben, wormen en andere zeedieren. Aangenomen wordt dat een aanzienlijk deel van de primaire productie van biomassa in deze algenbossen plaatsvindt.
Sargassum is de soort die met name bekend is geworden door haar wijde verspreiding in de Sargasso zee, een zee die als enige geen landkust kent, maar wordt omgeven door oceaanstromingen. In het westen bevindt zich de Golfstroom, in het noorden de Noord-Atlantische stroom, in het oosten de Canarische stroom en in het zuiden de Noord-Atlantische equatoriale stroom. De zee is ongeveer 1100 bij 3200 km groot. Het dichtstbijzijnde eiland is Bermuda.
De Sargasso zee is erg zout omdat er veel water verdampt in deze wind- en regenloze omgeving, waar de scheepvaart, toen de vloot nog voornamelijk bestond uit zeilschepen, veel hinder van heeft ondervonden. De zee is ook behoorlijk warm en levert een groot deel van het water waaruit onze warme golfstroom bestaat.
De Sargassozee, die erg zout is en arm aan voedingsstoffen (oligotroof), wordt vaak beschouwd als levenloos, hoewel er aan de oppervlakte veel zeewier van het geslacht Sargassum voorkomt, waaraan de zee haar naam te danken heeft. Maar juist dat bruinwier zorgt voor een enorme biomassaproduductie.
Iets wat onder meer blijkt wanneer we de primaire productie van de Sargasso zee vergelijken met die van de koude Beringstraat. De primaire productie van de Bering straat bedraagt ongeveer 0,2 gram koolstof (C) per m3/dag. De Sargasso zee moet het met minder dan 0,04 gram per m3/dag doen. Echter, per vierkante meter bedraagt die primaire productie van de Beringstraat 150 gram/jaar, wat heel erg vergelijkbaar is met de primaire productie van de Sargasso zee. Het verschil wordt nog groter wanneer we de jaarlijkse productie van de Beringstraat (2,6 miljoen km2) vergelijken met die van de Sargasso zee (3,6 miljoen km2). De Bering straat komt dan niet verder dan 160 Tg C per jaar, terwijl de Sargasso zee maar liefst een biomassa-productie heeft van 500 Tg C per jaar.
De vreemd grote biomassa productie van de Sargasso zee, niettegenstaande haar oligotrofe karakter, heeft de naam van haar ontdekker gekregen, de zgn. Ryther’s Paradox.
Verantwoordelijk voor deze enorme productie is het Sargassum. De grote vlakten bruinwier op de Sargossa zee, die de ontdekker hiervan, Christopher Columbus in 1492, op het idee bracht dat er dan ook wel land in de buurt zou moeten zijn.
Maar de Sargasso zee is ook in een ander opzicht een bijzonder water. Het is de enige zee zonder kust en wordt omcirkeld door een aantal zeestromen die haar omvang definiëren, zoals in de bovenstaande figuur mooi te zien is.
Ook het klimaat van de Sargasso zee is uniek. Berucht zijn de paardenbreedten. Eindeloze periodes van windstiltes die menig zeevaarder in de tijd van de grote zeilschepen fataal is geworden. Ook de eeuwig brandende zon, die zorgt voor een forse verdamping die de zee haar hoge zoutgraad geeft, kenmerkt de Sargasso zee.
Zoals op https://www.climate-policy-watcher.org/ocean-circulation-2/mapping-the-gulf-stream-using-water-characteristics.html is te lezen:
“seafarers have long been aware of the high temperatures associated with the Gulf Stream. They have also noted that the edge of the Gulf Stream is often marked by accumulations of Sargassum (a floating seaweed, endemic to the Sargasso Sea), and that the waters of the Stream are a clear blue, contrasting strongly with the relatively murky waters between the Stream and the coast.”
Dat het warme water van de Sargasso zee zeker wel een grote invloed heeft op de warme golfstroom, laten ook de onderstaande projecties zien van de daadwerkelijke loop van de warme golfstroom.
De opwarming van de Sargasso zee is een ontwikkeling die waarschijnlijk al veel langer speelt en die, naar alle waarschijnlijkheid, in de hand gewerkt door eutrofiëring (ook hier) van het zeewater, met onder meer funeste gevolgen voor het broedsucces van de Europese paling.
Een ander gevolg van deze ontwikkeling is dat het Sargassum bruinwier zich ineens niet meer gebonden voelde aan haar bakermat, de Sargasso zee.
Vanaf 2011 laat het bruinwier zich ook buiten haar ‘zeegrenzen’ zien. Sargassum heeft nu ook het Caribisch gebied en haar wijde omgeving ‘ontdekt’, zoals bijvoorbeeld het Amazonegebied, wat in de afgelopen jaren een behoorlijke ‘vermesting’ laat zien.
Maar dat niet alleen, de ‘sargassum-plaag’ heeft zich zelfs uitgestrekt naar de kusten van West-Afrika.
En dan geldt dat hetgeen wat Sargassum op haar plaats van herkomst een onmisbare schakel maakt voor het ecosysteem waarin het zich heeft ontwikkeld, op een andere plaats funeste gevolgen kan hebben.
– In die zin is het vergelijkbaar met de rol van Beuk, Eik en Dennen in de Nederlandse bossen. De verzuring die deze bomen veroorzaken maakt, op de bodems van de landen van herkomst van deze bomen, dat zich überhaupt bossen kunnen ontwikkelen, maar diezelfde verzuring zorgt voor de Nederlandse grond voor flinke problemen.-
Voor sargassum geldt dat de efficiëntie van voedselopname, waarmee meststoffen in haar oligotrofe ’thuiszee’ kunnen worden benut, een plaag wordt voor de zeeën waar veel meer meststoffen beschikbaar zijn. En Sargassum vormt een fors probleem buiten de zee van herkomst.
Wat dus ook betekent dat, wanneer Sargassum inderdaad een bepaald temperatuur effect heeft (zoals hierboven uiteengezet), het water wat de golfstroom bereikt, al behoorlijk moet zijn opgewarmd ten opzichte van de referentiesituatie (en nog verder opwarmt binnen die golfstroom).
Natuurlijk geeft niet ieder jaar dezelfde problemen, maar 2018 (zie link) en 2022 (zie link) gelden als piekjaren voor de Sargassum-problemen. Is het dan toeval dat dit dezelfde jaren zijn als waarin de hitte en droogteproblemen ook hier in Europa piekten?
Zou Sargassum, het wier wat dit gebied aan zijn naam heeft geholpen, hiervoor op de een of andere manier verantwoordelijk kunnen zijn? Eerder al (zie link) heb ik stilgestaan bij een relatie tussen algenbloei en emissiviteit. Maar geldt dat ook voor het Sargassum wier?
Uit een redelijk onverwachte hoek kan worden geconcludeerd dat dit inderdaad het geval blijkt te zijn.
Het onderzoek van Mansfield et al.(2014) naar zee schildpadden (zie link) geeft aan dat de aanwezigheid van het Sargassum wier actief werd gezocht door de schildpadden met een duidelijke warmte behoefte. Daar was volgens de onderzoekers ook een duidelijke reden voor:
“floating Sargassum mat structure impedes lateral water flow, thereby inhibiting convective transport of absorbed solar energy (heat) into the surrounding water. Under these conditions, energy retention can raise local water temperatures up to 6 oC above that of surrounding water, as observed by ambient tag sensor data and as our bucket experiments demonstrated. The thermal benefits that small sea turtles gain from remaining at the sea surface or associating with Sargassumcommunities probably differs somewhat from basking—a common thermoregulatory behaviour used by reptiles.”
De aanwezigheid van Sargassum zorgt voor een temperatuurverschil van 6 oC met het water waar Sargassum niet groeit. Maar dit is dus een verschil wat alleen maar aan het emissiviteit-verschil van oceaanwater met of zonder Sargassum kan liggen. Wanneer Mansfield en haar mede onderzoekers dit goed hebben gemeten, dan betekent dit dat het oceaanwater wat bedekt is met Sargassum maar liefst 33 W/m2 moet hebben geabsorbeerd, wat dus is gebruikt voor de opwarming van het water. Een emissiviteit van 90%.
Nu is een emissiviteit van 90% voor het Sargassum wier niet eens zo uitzonderlijk. Van Alstyne en Olsum hebben in 2014 een onderzoek gedaan naar de emissiviteit van wateren bedekt met microalgen en zagen dat de soorten Desmaresta viridis (vezelige zure kelp) en Chondracanthus exasperatus (de Turkse handdoek) zorgden nog voor een nog lagere emissiviteit van resp. 82% en 70%.
Maar het verschil met deze soorten is wel dat Sargassum de laatste jaren (sinds 2011) is uitgegroeid tot een ware plaag, ik verwijs hiervoor graag naar mijn blog over het Sargassum wier (zie link), die zijn favoriete groeiplaatsen juist heeft liggen op de weg van de warme golfstroom naar Europa.
Dit betekent dan ook (causaal) dat de toegenomen warmte van de golfstroom (en dus de toenemende positieve NAO index) waarschijnlijk niet kan worden losgezien van het alsmaar toenemende voorkomen van Sargassum In de Atlantische oceaan. (zie link)
Het grote uitsterven
De opsomming die Oliver et al. geeft (Longe rand more frequent marine heatwaves over the past century, 2018), van de kenmerken van een MHW, laten duidelijk aanknopingspunten zien met de hierboven beschreven kenmerken van algenbloei:
“These [MHW-]events resulted in substantial ecological and economic impacts, including sustained loss of kelp forests, coral bleaching, reduced surface chlorophyll levels due to increased surface layer stratification, mass mortality of marine invertebrates due to heat stress, rapid long-distance species’ range shifts and associated reshaping of community structure, fishery closures or quota changes and even intensified economic tensions between nations. Such impacts demonstrate the damaging consequences of MHWs and their influence on the structure and sustainability of marine communities and ecosystems. Given the expected intensification in extreme temperature events due to anthropogenic climate change and the potential for profound ecological and socioeconomic impacts, quantifying trends and patterns of MHWs is a pressing issue.”
Het zijn, zoals we hebben kunnen zien, allemaal ook kenmerken die we verwachten bij een ‘dode zone’.
Vooral het gegeven dat er “increased surface stratification” plaatsvindt, waarbinnen de voedingsstoffen zijn ‘verdwenen’ (opgegeten), doet wel heel erg denken aan de gevolgen van algenbloei, die een ‘dode zone’ veroorzaakt. Hoe zou dit kunnen worden veroorzaakt door een hittegolf?
Er is echter Paleontologisch bewijs te over dat het allemaal nog veel erger kan worden.
In een tweetal artikelen die op het eerste oog weinig hebben uit te staan met de huidige klimaatdiscussies, wordt nieuw licht geworpen op de omstandigheden die hebben geleid tot de vijf grote “mass extinctions” die in de geologie worden onderscheiden.
De klassieke “Big Five” massa-extincties zoals deze werden geïdentificeerd door Raup en Sepkoski (1982) worden algemeen erkend als de meest significante: Eind Ordovicium (444 miljoen jaar geleden), Late Devoon (383-359 miljoen jaar geleden), Eind Perm (252 miljoen jaar geleden), Eind Trias (201 miljoen jaar geleden) en Eind Krijt (66 miljoen jaar geleden).
Algemeen werd aangenomen dat de oorzaken voor het massale uitsterven voor de verschillende periodes ook anders waren. Het massale sterven in het Ordovicium zou zijn veroorzaakt door een plotseling inzettende ijstijd. Dat van de Krijt-periode werd veroorzaakt door een enorme meteoor en de overige rampen zouden te maken hebben met zgn. LIP-erupties (large igneous province).
Bij deze rampen ontstaan vlakten met actieve vulkanische scheuren en kunnen honderdduizenden vierkante kilometers land door dikke lagen gesmolten gesteente worden bedekt.
Gedacht werd dat, omdat bij deze uitbarstingen werden ook immense hoeveelheden broeikasgassen als kooldioxide in de atmosfeer worden uitgestoten, er een razendsnelle opwarming van de aarde in gang zal worden gezet, maar waardoor ook de oceanen sterk verzuurden en van hun opgeloste zuurstof werden beroofd (anoxie). Een aardige samenvatting van dit alles is te vinden op de National geographic website .
Nieuwe inzichten
Het eerste artikel waarin wordt gebroken met de bovenstaande ‘consensus’ is van de hand van Bond en Grasby. Het artikel “Late Ordovician mass extinction caused by volcanism, warming, and anoxia, not cooling and glaciation” verscheen in ‘Geology’ maart 2020.
In dit artikel wordt door de auteursde stelling uitgewerkt dat Ordovicium massa extinctie helemaal niet verschilde van de overige ‘Big Five’ en ook het gevolg was van vulkanisme, een opwarmend klimaat en grootschalig optredende anoxia.
Het is natuurlijk ook een artikel dat aardig past binnen de ‘global warming’ discussie en wordt dan ook opgeleukt met een commentaar als: “The removal of cooling from the list of Phanerozoic extinction drivers has relevance to the modern phase of global warming: rather than casting doubt on the warming-extinction nexus, the Late Ordovician mass extinction (LOME) now corroborates it. All major mass extinctions are associated with global warming.”
Ook wanneer we de ‘Big five’ uitbreiden met de massa extinctie in het midden van de Perm-periode, zoals wordt voorgesteld door Rampino (zie: https://www.firstpost.com/tech/science/earth-saw-its-sixth-mass-extinction-260-million-years-ago-new-research-proposes-7360721.html) blijft deze conclusie blijkbaar hetzelfde:
“Volgens de beschikbare gegevens stierf [gedurende deze periode] ongeveer 60 procent van de mariene soorten uit en volgens de auteur van de studie zou eenzelfde hoeveelheid niet-mariene soorten ook kunnen zijn uitgestorven. (…) Het uitsterven van Guadalupe heeft iets gemeen met de andere vijf: “Alle zes grote massale uitstervingen zijn gecorreleerd met verwoestende milieu-omwentelingen – in het bijzonder massale uitbarstingen van vloedbasalt, die elk meer dan een miljoen vierkante kilometer beslaan met dikke lavastromen.”
Het tweede artikel waarin de consensus wordt aangevallen gaat ook over de LOME. Het is gepubliceerd op 2 december 2021 in Nature geoscience, en is misschien wel het meest bedreigende artikel wat ik tot dusverre heb gelezen over klimaatverandering.
Het artikel heeft een vrij neutrale titel: “Late Ordovician climate change and extinctions driven by elevated volcanic nutrient supply” en is van de hand van Longman, J. et al.
In dit artikel wordt uitgewerkt dat de lava, die vrijkomt bij grote vulkanische gebeurtenissen (de LIP-erupties), grote hoeveelheden fosfaat bevat, die in de door hem bestudeerde Ordovicium-periode, vrij snel zullen vrijkwamen bij verweringsprocessen in de oceaan.
Erger nog, de hoeveelheid fosfaat die toen vrijkwam was zo groot dat deze een algenbloei heeft veroorzaakt, die alle aanwezige zuurstof in de oceanen heeft verbruikt.
Nu zal dit voor een enkel jaar misschien nog wel te overleven zijn, maar teveel fosfaat in het zeewater is een zeer hardnekkig probleem. Ook al omdat blauwalgen, vaak verantwoordelijk voor algenbloei, in staat zijn om de andere kritieke bemesting-stof, stikstof, zelf uit de lucht te halen.
Fosfaat-problematiek
De “Lang leve de zee”-lezing van C. Slomp uit 2014 (https://www.uu.nl/sites/default/files/2014oratie-slomp.pdf) waarin wordt ingegaan op het fosfaatprobleem in de Oostzee, kan worden gezien als een goede illustratie van de wijze waarop het fosfaatprobleem afwijkt van andere verontreinigingen. Hieronder heb ik enkele relevante passages opgenomen:
“Wel is het zo dat de instroom van fosfaat vanaf 1980 al sterk is afgenomen. Dat komt omdat het probleem in de 70-er jaren is onderkend. Vooral in Zweden en Finland is het afvalwater vanaf die tijd steeds beter gezuiverd van fosfaat. Maar in plaats van een afname in algenbloeien zien we nog steeds een toename. Wat is er aan de hand?
Om dat te verklaren moet je het lot van het fosfaat in de Oostzee begrijpen. Je kunt de zee voorstellen als een hele grote bak met water waar fosfaat via de rivieren in stroomt. Er is ook een uitstroom van water met fosfaat naar de Noordzee, maar die uitstroom is voor de fosfaatbalans niet erg belangrijk, dus die negeren we hier verder. Vooral is echter belangrijk de begraving in de zeebodem.
Fosfaat wordt daar begraven in de vorm van organisch materiaal – dat zijn de resten van dode algen en bacteriën, en in de vorm van fosfaatmineralen. Bij de vorming van die mineralen gaat het fosfaat dat vrij komt uit algen een binding aan met andere elementen zoals calcium, mangaan en ijzer. Maar een probleem is dat de begraving van fosfaat geen gelijke tred houdt met de instroom van het fosfaat. De begraving is veel langzamer. Dat komt onder meer omdat de begraving van fosfaat gevoelig is voor de zuurstofconcentratie in het zeewater. Als de zuurstofconcentratie daalt wordt de begraving van fosfaat steeds minder efficiënt. Dat betekent dat het fosfaat niet in de zeebodem verdwijnt maar steeds opnieuw door algen hergebruikt kan worden.”
Slomp komt voor dit vreemde verschijnsel met de volgende, plausibele verklaring:
“[M]icro-organismen die verantwoordelijk zijn voor de afbraak van de dode algen [gebruiken] maar een deel van het fosfaat. Bij algen is de gemiddelde verhouding van koolstof ten opzichte van fosfor gelijk aan 106, dat wil zeggen dat er per 106 koolstof atomen maar 1 fosfor atoom in een cel zit. Bacteriën bleken een veel hogere koolstof-fosfor verhouding te hebben van boven de 400 (Figuur 6).
Bacteriën hebben al het fosfaat dat in algen zit dus niet nodig. Sterker nog, het fosfaat zit in de weg als de bacteriën bij het koolstof in de dode algen willen komen. Ze proberen daarom het fosfaat actief kwijt te raken door enzymen uit te scheiden die het fosfaat vrijmaken uit het dode algen materiaal.”
En zo is er een mooie recycling van dit kostbare element, maar met funeste gevolgen voor de leefbaarheid van de Oostzee. Maar die in het verleden nog tot veel grotere problemen heeft gezorgd.
De aanwezigheid van algen
Maar hoe kunnen we weten dat algen bij de genoemde uitstervingsgolven een belangrijke rol hebben gespeeld?
Een belangrijke onderzoekstechniek is die waarbij wordt gekeken naar de verschillende koolstof-isotopen in kalksteen, wat ontstaat door de opeenhoping van (kalkhoudende) stoffelijke overblijfselen van in zee levende organismen.
De isotopen koolstof-12 en koolstof-13 zijn van nature aanwezig in oceaanwater, maar Aardse levensvormen hebben een voorkeur voor koolstof-12. Dus hoe meer leven er is, hoe meer koolstof-12 er uit de circulatie wordt gehaald en hoe hoger het percentage koolstof-13 in de kalksteen wordt. Wanneer we de leeftijd van een kalksteenlaag kennen, kan dus worden bepaald hoe het in die tijd gesteld was met het leven in het biotoop waarin de kalksteenlaag ontstond.
Daarnaast hebben bacteriën en algen de neiging om ondiep water op te zoeken terwijl hogere levensvormen zich veel meer over ondiep en iets dieper water verspreiden. Dus als in de kalksteenlagen op de bodem van ondiep water meer koolstof-13 belandt dan in de dieper liggende lagen even verderop, dan is dat een aanwijzing dat eencelligen de overheersende levensvorm zijn geweest.
In het onderzoek van Longman et al. werden de volgende data verzameld:
Het is duidelijk dat de fosfaat (P)- input door de vulkaanuitbarstingen samenviel met de enorme koolstof-13 pieken. De klaarblijkelijk opgetreden algenbloei zorgde voor de volgende mate van zuurstofloosheid van het oceaanwater:
De onderzoekers kampen blijkbaar nog met de vraag hoe het mogelijk was dat de ene fosfaatgolf, na 10 miljoen jaar, nog invloed kon hebben op de volgende, maar ik geloof dat Slomp in 2014, zoals hierboven uiteengezet, hiervoor een aardige verklaring heeft gevonden.
De Late Ordovicium-extinctie was voor zover bekend de op één na zwaarste massa-extinctie ooit, (na die aan het einde van het Perm-tijdperk) waarbij naar schatting 85 procent van alle soorten op aarde werd uitgeroeid.
Het leven speelde zich nog voornamelijk af in het water, hoewel er aanwijzingen zijn dat primitieve planten en insecten al in vochtige omgevingen op het land voorkwamen. De gebeurtenis betekende vooral het einde van zeeorganismen als koralen, schelpdragende armpotigen, aalachtige wezens genaamd conodonten, en trilobieten.
Maar als Bond en Grasby (2020) gelijk hebben en alle Big Five’ het gevolg zijn van vulkanisme, een opwarmend klimaat en grootschalig optredende anoxia, zou dan niet overal fosfaatbemesting en resulterende algenbloei een verbindende schakel kunnen zijn? En als dat zo is, dan moeten daarvan toch ook sporen te vinden zijn?
Het voert in dit kader natuurlijk te ver om alle genoemde periodes te bespreken, maar in ieder geval voor de grootste van allemaal, was wel het wel relatief eenvoudig om relevante aanwijzingen hierover te vinden.
Het uitsterven in het Perm-tijdperk
National geographic geeft de volgende samenvatting van de grootste massa-extinctie die we kennen:
“Zo’n 252 miljoen jaar geleden werd het leven op aarde geconfronteerd met het ‘Grote Afsterven’: de Perm-Trias-extinctie. De catastrofe was de zwaarste massa-extinctie die het leven op de planeet ooit heeft getroffen. In een periode van slechts 60.000 jaar stierven 96 procent van alle soorten in zee en ongeveer 75 procent van alle soorten op land uit. De bossen op aarde werden weggevaagd en herstelden zich pas tien miljoen jaar later. Van de vijf massa-extincties is de Perm-Trias-extinctie de enige waarbij ook ontelbare insectensoorten uitstierven. Mariene ecosystemen hadden vier tot acht miljoen jaar nodig om zich te herstellen.
Verreweg de belangrijkste oorzaak van deze massa-extinctie waren de zogenaamde Siberische Trappen, een immens complex van actieve vulkanische scheuren die meer dan drie miljoen kubieke kilometer gesmolten gesteente uitbraakten en grote delen van het huidige Siberië met dikke lagen lava bedekten.”
Op de sciencelink -website wordt aandacht besteed aan het onderzoek van Meyer et al. “δ13C evidence that high primary productivity delayed recovery from end-Permian mass extinction” (2010).
Dit onderzoek focust zich op de vraag hoe het mogelijk is dat het landleven zich na het Siberische Trappen incident vrij snel herstelde maar dat de oceanen nog zo’n 5 miljoen jaar extreem arm aan zuurstof bleven:
“Hoe dat precies kon, was tot nu toe een raadsel. (…)
In de kalksteenlagen in het zuiden van China, die Meyer heeft onderzocht, blijkt [er een duidelijke] koolstof-13-gradiënt als functie van de waterdiepte te zitten. En die gradiënt is nog relatief steil ook. Conclusie: bacteriën en algen overheersten 250 miljoen jaar geleden inderdaad, en het waren er véél.
De verklaring is niet zo moeilijk te verzinnen. De vulkanen moeten grote hoeveelheden CO2 in de atmosfeer hebben uitgebraakt. Dat schiep de condities voor een enorme algenbloei in de oceanen. Die algen gingen dood en werden afgebroken door navenant grote kolonies bacteriën, die voor een deel aeroob waren. Met als gevolg dat het bacteriële zuurstofverbruik zó hoog werd dat er voor andere organismen, zoals vissen, nauwelijks zuurstof in het water overbleef.
Kennelijk duurde het 5 miljoen jaar voordat de extra CO2 op was, waarna het eencellige leven zich op een veel lager niveau stabiliseerde en de vissen letterlijk weer lucht kregen.”
Nu is de CO2-hypothese wel erg slecht gekozen. Waarom zouden bacteriën zo sterk op CO2 reageren als er geen extra voedsel beschikbaar zou zijn (CO2 is vrijwel nooit de meest beperkende groei-factor)? Maar waar het totaalplaatje natuurlijk wel weer sterk aan doet denken, is de fosfaat-problematiek die, zoals hieronder nog zal worden besproken, eindeloos weer kan opspelen door de gebrekkige binding van fosfaat onder zuurstofloze omstandigheden.
Anders dan men zou verwachten is klimaatverandering als zodanig dus eigenlijk vrijwel nooit een aanleiding voor massa extincties, maar is het optreden van zuurstofloze omstandigheden, zoals besproken in de blog “opwarming”, wel degelijk een fors probleem!
Extreem weer
Waarom is deze hypothese zo bedreigend?
Op mijn website en in eerdere blogs (o.a. “Temperatuurrecord in het Arctisch gebied”, “De El Niño uitzondering”, “Gaan we nog wat doen aan het klimaat?”, “Opwarming”, “De Canadese nachtmerrie” en de webpagina’s “Ontkenners” en “Het veranderende klimaat” ) ben ik al tot vervelens toe ingegaan op de effecten van algenbloei op het klimaat. Algenbloei gaat hier samen met anoxie en opwarming, deze factoren vallen ook nu samen en het lijkt er niet op dat dit toevallig is.
Ik geloof dat daaruit en nu dus ook er uit het materiaal wat we beschikbaar hebben over de “Big Five” uitstervingsgolven, vrij duidelijk valt te destilleren dat overbemesting van de oceanen een héél slecht idee is.
In de eerste decennia van de eenentwintigste eeuw wordt per jaar gemiddeld ongeveer 19 miljoen ton fosfaat in de vorm van erts per jaar gewonnen, wat wordt gebruikt om de “groene revolutie” te onderhouden en tot een goed einde te brengen. Tachtig procent van de gewonnen fosfaat eindigt als kunstmest op het land (https://www.wur.nl/nl/Dossiers/dossier/Fosfaat-1.htm), dat komt dus ongeveer overeen met 15 miljoen ton.
In het onderzoek van Longman, J. et al. werd gevonden dat gedurende de zwaarste puls in het Ordovicium in totaal 2.89 × 1015 mol Fosfor vrijkwam. Op basis van Monte-Carlo simulatie werd gevonden dat de jaarlijkse flux rond de 3 x 1010 mol P per jaar moet zijn geweest.
Volgens het USGS, het National Minerals Information Center, werd in 2020 47 miljoen ton fosfaat (P2O5) als kunstmest gebruikt. Eén mol fosfaat weegt 94,97 gram. Maar dat betekent dus dat er op dit moment per jaar 4,95 x 1011 mol fosfaat als kunstmest over het land wordt verspreid, ofwel 9,9 x 1011 mol fosfor. Afspoelingsverliezen worden door het WUR begroot op 10%, waardoor er dus, alleen al vanuit deze bron ruim drie maal zoveel fosfor naar de zeeën wordt afgevoerd, als gedurende de LOME.
Gelukkig is fosfaat op het land ook goed gebonden aan de grond, maar uit- en afspoelingsverliezen zullen er toch ook nog zijn. Ook de landbouwproducten bevatten het nodige fosfaat, die geconsumeerd zullen worden en vervolgens niet altijd worden gezuiverd, voordat de fosfaat ‘terug wordt gegeven’ aan de natuurlijke ecosystemen, waar het eindeloos kan worden hergebruikt.
De effecten hiervan zijn inmiddels al wel duidelijk zichtbaar bij de kustwateren waar de effecten van fosfaatbemesting het meest zichtbaar zijn. Maar dit alles betekent natuurlijk wel dat we op dit moment misschien wel gevaarlijk dicht bij een Large Igneous Province (LIP) simulatie zijn.
Maar gelukkig er nog tijd om nog aan deze problematiek te werken. Dat moet dan wel met de hulp van die organismen waaraan Lovelock zelf (ten onrechte) niet zoveel belang hechtte. Maar hierover meer in de volgende (en laatste in deze serie) webpagina.